具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采用的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实例，对依据本发明提出的一种基于图像处理的烟丝有序性调节方法及烟丝取向分布测量系统，详细说明如下：

基于光纤式高速摄影的烟丝流化测量系统

本发明公开了一种均匀来流中烟丝流化可视化研究装置。该风机出风口的截面直径为80mm，风机与流化通道通过布风袋连接，确保了通风管的密封性。流化通道由竖直通道与楔形台组成，两组件基于法兰盘用M5×4的螺栓均匀连接。通道由透明亚克力板制成，壁厚2mm，长900mm，直径160mm。两个截面共布置9个探测孔，用于分析通道内部烟丝流化状态与空气流动性能。截面1中，随着监测高度由下向上变化，每隔300mm布置一个探测孔，光纤内窥镜与压差传感器交替布置。截面2中，随着监测高度由上向下变化，每隔200mm布置一个探测孔，全部布置光纤内窥镜。楔形台高120mm，锥度为21.8°，上侧法兰盘用于与竖直通道连接，下侧法兰盘用于与连接风机的布风袋连接，通过安装密封锁扣防止了空气的泄露，保证了对应空气流动特征测量的准确性。当风机提供的气体流经楔形台后作用于布风板，湍流流场稳定后进一步形成均匀流场，并作用于待流化的烟丝上，通过调节风机流量和供丝量来进行不同技术参数下的烟丝流化性能与空气特征的记录，以完成多种工况下的烟丝取向测量与分析。

固定流化通道的托架由铝型材组装而成，实验风机、变频调压阀、压力表流量计、布风袋、楔形台、布风板、竖直通道按序依次装配。烟丝的运动轨迹、取向分布都可以直接观察到，或者通过高速摄像机拍摄下来，从而实现烟丝三维可视化的研究，而且风机的速度通过变频调压阀调节，可用于不同工况需求下的烟丝流化实验。通过改变风机流量与烟丝质量，可以获得不同的烟丝流化特征。

考虑到图像测量系统的检测能力，设置烟丝多区域在线监测点，如图2所示。OYZ截面与XOZ截面各布置3组光纤测量设备，成交错布置方式。多次测量不同截面烟丝流化特征，判断单一工况下各测量组之间的一致程度，提高在线测量准确度。压力传感器布置在两截面光纤测量设备之间，以测定不同截面对应流速与压力分布，为烟丝流化特征提供了相应的压力数据支撑。

烟丝流化角度测量

烟丝角度分布测量测量系统流程为：装置组装、单位标定、图像数据获取、图像预处理、数字图像计算、结果输出等。具体实施步骤如下：

(a) 根据图1方案搭建实验系统，连接高分辨率数码CCD、光纤内窥镜与计算机测量系统。光源左右对称放置，且光源亮度足够大，以防通道附近的相机、压力传感器或者内窥镜阻挡光线。两侧光源应使通道内部亮度均匀，无阴影，烟丝与外界图像界面清晰。

(b)调节数码相机与光纤内窥镜角度，直到两者的镜头成像平行于通道监测方向，使获取到的烟丝图像与实际烟丝成一定比例。并且，数码相机与光纤内窥镜的拍摄中心应与通道中心截面重合，使聚焦一致，如图2所示。

(c)将一定数量的烟丝随机布置在布风板上，均匀分散，防止烟丝之间相互缠结 。

(d)计算机读取数码相机拍摄的图像并保存；

(e)通过编写的烟丝角度测量系统，读取拍摄的N张图片，P1…PN。

记录各组图像中烟丝角度分布。

烟丝取向角与浓度测量流程如图3所示，瞬时图像处理流程依次为读入多帧烟丝图像，单位标定，图像预处理，图像二值化，背景去除，烟丝多连通区域分割，烟丝章动角输出，烟丝不同区域浓度输出，构建烟丝取向分布函数。其中图像预处理包括图像灰度化，直方图修正，滤波去噪，图像锐化等。通过图像预处理去除了烟丝取向角分析时图像背景噪声的干涉，提高了检测准确性。

其中，烟丝取向分布识别系统的识别流程依次为参数输入，数据读取，结果解析。经过运行求解后，解析结果可以在显示区标准。烟丝取向分布识别流程如下：

（1）运行求解程序，首先对图像进行预处理；

（2）图片灰度化，将烟丝流化的彩色图像转化为灰度化图像；

（3）通过中值滤波技术去除烟丝流化灰度图中局部噪点；

（4）烟丝流化灰度图转换为二值图，并进行背景去除；

（5）对图像进行二值图取反处理，烟丝流化显示为白色，外界背景为黑色；

（6）通过形态学闭运算填充烟丝轮廓；

（8）通过多连通域分割技术划分烟丝区域，标记烟丝轮廓；

（9）统计各组图片中烟丝的总面积Si；

（10）提取各烟丝连通域最小外接矩形的对角线矢量，视为烟丝的角度。统计每帧图像中各烟丝取向分布，以此计算烟丝流化时的有序性烟丝角度分布；

（11）解析结果中的其他关键信息，经图像计算后在右侧显示栏展示。

图4为图像处理后流化烟丝的角度分布。可以看出，操作参数优化前，0°-至180°烟丝数量均占用一定比例，说明流化烟丝的取向较为随机。

烟丝流化试验装置

为验证烟丝流化测量系统的可行性，建立了光纤式高速摄影的烟丝流化试验装置。由空压机提供初始压力与流动能量，通过调压阀控制空气流量。流化床内烟丝由光纤内窥镜与高速摄像机进行图像获取，烟丝取向与形貌特征由目标检测与图像处理软件进行分析与测量。测量结果导入数据采集计算机进行评价，将不满足目标函数的工况反馈给应用层，调控空压机压力、计量落料与定量供丝阈值，能够为卷烟智能制造领域的降本增效提供实验支持。

烟丝流化试验装置中，两组卤素灯对称布置，有效减弱了烟丝局部阴影的干扰。使图像中的目标信息与背景信息得到最佳分离，大大降低了目标分割、识别等图像处理算法的难度。

本发明中，开启风机，风机吹出的风称为来流，该来流为具有一定压力的风，此时来流并不稳定，来流进入楔形台后，由布风板实现气流的稳定。稳定后的来流进入竖直通道，通过楔形台实现风机和竖直通道之间气流的光滑过渡，避免因为截面尺寸的突变导致气流变乱，影响实验效果。布风板设于竖直通道与楔形台的两法兰盘间，为一带有均匀筛孔的圆形截面，所述布风板为2 mm厚有机玻璃制作。布风板上设有多个密集等径开孔，两个布风板叠加使用。流化实验前需放置一定量的烟丝于布风板上，其主要作用包括承接烟丝与稳定风机流量分布。

烟丝流化操作参数调节方法

基于光纤式高速摄影的烟丝流化试验装置与图像测量方法，已经能够识别烟丝角度分布，但此时流化烟丝角度随机。为提高烟丝流化有序性与分选效率，提出了烟丝流化有序性调节方法与烟丝流化反馈模型，建立烟丝角度分布与操作参数对应正交实验表。借助内窥镜提取的烟丝流化数据，可以按需优化供丝量与制丝工艺，以满足中心系统用户对整体态势把控需求，实现按需、智能的有序性调节。

基于图像处理的烟丝流化操作参数调节方法如下，首先通过光纤内窥镜获取流化通道内部烟丝流化图像，每帧图像依次通过光学成像系统、图像采集与数字化与图像处理与决策模块，将获取信息提交给烟丝取向反馈系统能够实现技术参数的调整与优化。

通过光纤式高速摄影的烟丝流化试验与烟丝图像处理方法结合，建立烟丝流化反馈系统。基于目标检测与技术计算烟丝取向分布。在约束函数范围内，优选设计参数，调节供丝量与风机流量，判断方案是否达到最优性能。评价烟丝束卷接前的烟丝有序性，提高烟支质量。烟丝性能优化设计过程的核心参数包括：

设计问题：使烟丝流化系统满足烟丝有序

设计要求f（x）：最优设计方案中烟丝有序性满足阈值需求，即薄片烟丝与重力方向的夹角在规定区间a~b所占比例超过阈值A。

设计参数x：风机速度v、供丝量y、烟丝长度z。

设计准则：g（v），g（y），g（z）。

其中，设计准则由正交设计表及对应流场中的烟丝取向角决定。依据正交实验，可以减少实验组合，并探明三个设计参数的最佳工作条件值。g（v）为正交设计表中与风机速度相关的烟丝取向角，g（v）=min (g₁（v）-A, g₂（v）-A, … g_i（v）-A)。i代表正交设计表的第i个水平，g_i（v）-A代表第i个水平对应的烟丝取向角与阈值A的偏差。偏差越小说明该工作条件值有利于提高烟丝有序性。g（y）与g（z）分别为正交设计表中与供丝量，烟丝长度相关的烟丝取向角，其计算公式同g（v）。

数学模型如下:目标函数f（x）>A。

约束函数：v ₁ <v<v ₂ , y ₁ <y<y ₂ , z ₁ <z<z ₂ 。

其中：v ₁ 为（3 m/s ）；v ₂ 为（10 m/s ）；y ₁ 为（0.02286 kg/s）；y ₂ 为（0.04572 kg/s）；z ₁ 为（1 cm）；z ₂ 为（3 cm）。

为了更加快速优化烟丝分选性能，提高烟丝流化有序性，建立正交试验L₉(3⁴)以探明烟丝流化的最佳工艺条件。烟丝性能优化正交设计表是三因素三水平的试验表，不考虑各因素间的交互作用。根据烟草机械员工生产经验和技术人员分析，影响烟丝流化性能的主要因素有风机速度，供丝量，烟丝长度，每个因素取三个水平进行研究，得到烟丝性能优化正交设计表如表1所示。

表 1. 烟丝性能优化正交设计表L₉(3⁴)

表中任一因素（风机速度，供丝量，烟丝长度）各水平（1,2,3）都出现，且次数相同，减少了实验次数，有效加快了优化效率。其中：风机速度的3水平选取范围为3 m/s -10 m/s；供丝量的3水平选取范围为0.02286 kg/s-0.04572 kg/s；烟丝长度的3水平选取范围为z ₁ 为1 cm-3 cm；

综上所述，结合正交设计表的烟丝流化反馈系统，为设计参数选择（供丝量调节，风机速度与烟丝长度的确定）提供了快速解决方案，在满足设计要求的基础上，由正交设计表调节设计参数，使最优工况参数达到预期设计准则。

本发明技术方案带来的有益效果：

针对现有烟丝取向检测均通过人为目测，测量结果存在滞后，效率低，外界因素影响大等缺点，提出基于数字图像处理技术的烟丝流化角度分布测量方法，对实时工况下烟丝流化角度进行测量分析。实验结果表明，烟丝取向检测效率明显优于人工测量，数据吻合储存效果好。因此，将光纤式高速摄影的烟丝流化测量系统与图像处理技术结合运用于烟丝取向检测可行度高，能够快速无损地测量多组烟丝样本的角度分布。进一步地，烟丝风分-计量-除杂-取向反馈系统可以引入到国产卷接机组的在线检测，为叶梗分离设备、供料成条机、卷接成型机的数据采集与反馈提供必要支撑。

目前，烟丝在线监测区域包括OYZ截面与XOZ截面，多组内窥镜交替布置，能够对负压流场内烟丝流化进行全方面研究。若需扩大烟丝流化监测视角，仅需增加光纤内窥镜数量。不同内窥镜截面间布置空气压力与速度探针，能够对负压流场内局部空气流动特征进行测量与分析，为掌握烟丝流化时对应空气特性奠定基础。烟丝角度分布与操作参数按照正交实验表执行。通过烟丝流化反馈系统优化供丝量与风机流量，能够快速实现烟丝角度的有序调整。

如图6所示光纤式在线测量系统可以引入烟草机械的风分系统与流化床，包括叶梗分离设备及供料成条机，判断除梗除杂效果。根据反馈信息，对落料器、供料箱、风机流量、制丝工艺等技术参数进行调整，可以提高国产卷接机组的除杂效率；智能取向识别方法可以用于供料成条机、卷接成型机，根据反馈信息，对平整器角度修整，调节吸丝带速度，可以提高国产卷接机组的烟丝有序性。

实施例

搭建的烟丝流化光纤式在线实验装置，拍摄多个区域的烟丝流化图像，如图7所示。

搭建的烟丝流化角度图像测量系统，对监测区域的烟丝进行图像处理与角度分析，如图8-9所示。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。